陸春松，徐曉齊

(南京信息工程大學中國氣象局氣溶膠與云降水重點開放實驗室/氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京210044)

引言

云覆蓋了地球大約2/3的面積，在天氣和氣候中扮演著十分重要的角色(Liou，1986；Kummerow et al.，2000；Li et al.，2005；Chen and Yin，2014；Zhang et al.，2017；王元等，2017；Ge et al.，2018)。一方面，云是水循環(huán)的一個重要環(huán)節(jié)(Ramanathan et al.，2001；張學文，2002；李興宇等，2008；趙坤等，2015；Fu et al.，2016；Zhao et al.，2017)，云的生成、發(fā)展和消亡直接影響著降水的起止時間、強度和分布等，且云中釋放的潛熱是大氣中各種尺度運動的重要能量來源之一(劉奇俊等，2003；Liu and Fu，2010；Wang et al.，2012；Guo et al.，2015；傅云飛，2018；Li et al.，2018)。另一方面，云在地氣系統(tǒng)輻射收支平衡上的作用舉足輕重：云會反射太陽短波輻射，在太陽短波輻射光譜范圍內(nèi)，對流層中下層的層狀云比高層的卷云有著更大的光學厚度，在云的輻射氣候效應(yīng)中起到了主要作用(Wang and Key，2005)；而且云對地氣系統(tǒng)長波輻射吸收作用很強，同時會以云頂?shù)臏囟认蛲獍l(fā)射長波輻射，對地氣系統(tǒng)起到保溫作用，其中卷云又發(fā)揮了重要的作用(Zhang et al.，2013；張華等，2017)。

然而，云本身的物理過程、與太陽短波輻射以及地球長波輻射的反饋依然存在很大的不確定性。這主要是因為這其中包含的時空尺度太過復(fù)雜，從云滴生長的微米尺度到大氣環(huán)流的全球尺度均有涉及。而云與其周圍環(huán)境的相互作用會進一步增強云過程的不確定性，因為云與環(huán)境空氣之間的夾卷混合過程會導(dǎo)致云中微物理量發(fā)生變化，從而影響云-氣候之間的反饋(Chosson et al.，2007；傅云飛和冼桃，2017；Yang and Gao，2020)以及氣溶膠間接效應(yīng)的強度(Shao et al.，2006；Xue et al.，2006；Zhao and Liu，2006；Xue and Feingold，2008；Guo et al.，2016；Li et al.，2017；Zhao et al.，2018)。另外，云中微物理量的變化和降水過程的形成有密切的聯(lián)系(吳兌等，1988；余興等，2005；周廣強等，2005；林文實等，2007；張云等，2009；Lin and Colle，2011；Fu et al.，2016；Zhao et al.，2016；楊薇等，2017；Lei et al.，2019；朱磊等，2020)。所以，與云相關(guān)的過程中，夾卷混合過程的影響至關(guān)重要。此外，在現(xiàn)有的數(shù)值模式中對該過程的表述往往是進行簡單的假設(shè)，原因是目前對該過程的理論認識還不夠充分，這種粗略的處理方式制約著模式中云和降水的模擬效果。本文將從夾卷混合機制的提出，夾卷混合過程的重要性，夾卷混合過程的定量描述以及參數(shù)化等方面，系統(tǒng)性地回顧夾卷混合過程的研究進展。

1 夾卷混合機制的提出

1.1 暖云降水之謎與夾卷混合過程

觀測資料顯示自然界中暖云從開始形成到發(fā)展成雨，最短只需要15 min左右(Beard and Ochs，1993)，遠小于理論上降水形成所需要的時間(周秀驥和顧震潮，1963；Mcgraw et al.，2004)。例如，在非湍流大氣中0.2%的過飽和度下，云滴從半徑10μm凝結(jié)增長到半徑20μm需要大約20 min，半徑20μm的云滴碰并增長至半徑100μm(毛毛雨)又需要60 min，這比實際積云降水形成時間長得多(Jonas，1996)。此外，絕熱模型中計算得到的云滴譜為單峰結(jié)構(gòu)，譜分布遠窄于非降水積云中的觀測結(jié)果，事實上，觀測的云中云滴譜通常呈雙峰或多峰結(jié)構(gòu)，并且小云滴在云中的各個高度上都有分布(Warner，1969)。得到公認的是，云滴譜增寬有利于加速云中的碰并過程，進而形成降水。但是，云滴譜中半徑20μm左右為云滴譜的“生長溝”，絕熱凝結(jié)增長理論和重力碰并過程均無法解釋這些云滴的來源(顧震潮等，1962)。因此，云滴譜如何增寬，初始大滴從何而來，成為了學者討論的熱點問題。學者們提出了很多可能的解釋(Lu et al.，2018a)，比如云中的湍流起伏(顧震潮，1962；顧震潮和詹麗珊，1962；徐華英和顧震潮，1963；黃美元等，2003)、巨凝結(jié)核(Yin et al.，2000；Lasher-Trapp et al.，2002)、小尺度湍流作用(肖輝等，1988；Jonas，1996；Shaw et al.，2002；Shaw，2003)等。除了這些解釋外，云與環(huán)境空氣之間的夾卷混合過程也被認為是解決暖云降水之謎的一個可能的機制，得到學者們的廣泛關(guān)注與研究。

Stommel(1947)第一個發(fā)現(xiàn)環(huán)境空氣會卷入到云中，指出云中的溫度變化并未按照濕絕熱過程遞減，而是接近于環(huán)境空氣的減溫率，含水量的垂直分布也與理論值不符，因此，云與環(huán)境空氣之間存在夾卷混合過程，該過程隨后也在許多觀測資料中得到證實(Telford et al.，1981)。眾多的觀測表明積云的發(fā)展過程并不是絕熱的，在積云的各個高度、整個生命周期和發(fā)展過程中均會受到夾卷的影響(Jiang et al.，2006)，云的側(cè)邊界和云頂處與環(huán)境空氣之間不斷發(fā)生著相互作用，環(huán)境空氣夾卷進入云內(nèi)，云內(nèi)空氣被卷出。卷入云內(nèi)的環(huán)境空氣與云內(nèi)空氣在湍流的作用下不斷的混合、相互作用，云的微物理性質(zhì)也會發(fā)生相應(yīng)的改變，但是在積云中哪個位置(云頂或側(cè)邊界)發(fā)生夾卷過程尚未有明確的答案(De Rooy et al.，2013)。在層狀云中，層狀云的水平尺度遠大于垂直尺度，因此側(cè)邊界的夾卷混合過程可以忽略不計，主要考慮云頂處環(huán)境空氣的夾卷混合作用(Yum et al.，2015；Mellado，2017)。

1.2 夾卷混合機制的分類

為了研究環(huán)境空氣卷入云內(nèi)之后如何影響云內(nèi)的微物理量，學者們建立了多個概念模型，比如：均勻/非均勻夾卷混合(Baker and Latham，1979；Baker et al.，1980)，氣塊類型的夾卷混合(Telford et al.，1981；Telford，1996)，垂直環(huán)流夾卷混合(Wang et al.，2009；Yum et al.，2015；Yeom et al.，2017)。其中應(yīng)用最廣泛的是均勻/非均勻夾卷混合模型。

圖1 系統(tǒng)展示了均勻/非均勻夾卷混合機制。在均勻夾卷混合機制中(Baker et al.，1980)，所有云滴均處在相同的不飽和狀態(tài)中，并且同時蒸發(fā)，此時云滴尺度減小，云滴數(shù)濃度保持不變，云滴尺度與數(shù)濃度呈正相關(guān)關(guān)系，云滴譜左移；在極端非均勻夾卷混合機制中，靠近環(huán)境空氣的一部分云滴會完全蒸發(fā)，而遠離環(huán)境空氣的那部分云滴不受影響，此時云滴尺度保持不變，云滴數(shù)濃度減小，云滴譜下移。

圖1 均勻/極端非均勻夾卷混合模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the homogenous/extremely inhomogeneous entrainment-mixing mechanism.

為了更加形象地說明兩種夾卷混合機制的區(qū)別，以一個簡單的例子來解釋。如圖2所示，有一朵絕熱云，有著10個云滴且每個云滴的含水量相等，均為0.01 g·m-3，那么這朵絕熱云的總含水量為0.1 g·m-3。隨后，由于環(huán)境空氣的卷入，發(fā)生夾卷混合過程，必然導(dǎo)致云團發(fā)生蒸發(fā)，使環(huán)境空氣達到飽和，與之相對應(yīng)的，該云團的總含水量減小至0.09 g·m-3。此時如果發(fā)生的是均勻夾卷混合過程，所有云滴同時蒸發(fā)，云滴數(shù)目保持不變，那么每個云滴的含水量就需要減少到0.009 g·m-3；如果發(fā)生的是極端非均勻夾卷混合過程，云滴數(shù)目從10個減少到9個，但是每個云滴的含水量保持不變。有學者指出，如果極端非均勻夾卷混合過程之后的稀釋空氣塊繼續(xù)抬升，由于對水汽的競爭減小，其中的大滴會比未稀釋空氣塊中的云滴增長更快更大(Baker and Latham，1979)，該過程有助于促進暖云降水的形成。

圖2 均勻/非均勻夾卷混合對云滴濃度和半徑的影響Fig.2 The influence of homogenous/extremely inhomogeneous entrainment-mixing on cloud number concentration and cloud droplet radius.

自20世紀60—70年代以來，科學家們對不同夾卷混合機制進行了深入研究。Warner(1973)更新了凝結(jié)模型以研究卷入氣溶膠粒子對云滴譜分布的影響，假定均勻夾卷混合機制(Baker等(1980)后來命名)，并計算了云中微物理量以及云滴譜分布的變化，發(fā)現(xiàn)計算結(jié)果與Warner(1969)中的觀測結(jié)果存在較大的偏差，因此從理論計算和觀測分析兩方面，得出結(jié)論：這種簡單的均勻夾卷混合過程對云滴譜的影響是不重要的。但是他對夾卷混合過程的負面評價并未阻止科學家們進一步對該過程進行研究，Mason和Jonas(1975)、Jonas和Mason(1982)的模式結(jié)果顯示云滴譜的變化可以通過夾卷混合過程來解釋，并成功地再現(xiàn)了Warner(1969)中觀測到的雙峰分布。Latham和Reed(1977)通過在云室中加入干空氣分析了云中微物理量的變化，發(fā)現(xiàn)了云中夾卷混合過程的非均勻性，驗證了該過程的重要性：當不飽和空氣進入積云時，一些云滴的體積大大減小，但遠處的云滴不會受到直接影響，甚至不會受到影響。Baker和Latham(1979)使用了極端非均勻模型，模擬出的云滴譜與Warner(1969)觀測到的相似。

根據(jù)圖1所示的云滴尺度和數(shù)濃度之間的關(guān)系，利用飛機的云微物理觀測資料可以區(qū)分云中均勻/非均勻夾卷混合機制哪一種占主導(dǎo)，一些觀測研究表明云中夾卷混合機制接近于均勻(Jensen et al.，1985；Burnet and Brenguier，2007；Lehmann et al.，2009)，也有一部分觀測到更趨向于極端非均勻(Pawlowska et al.，2000；Haman et al.，2007；Freud et al.，2008；Gerber et al.，2008；Lehmann et al.，2009；Freud et al.，2011)。占主導(dǎo)的夾卷混合機制與云的類型、夾卷混合過程的階段、分辨率、云中的位置等均有關(guān)系。Burnet和Bren?guier(2007)比較了積云和層積云中的夾卷混合機制，發(fā)現(xiàn)與層積云相比，均勻夾卷混合過程更容易在積云中發(fā)生，這主要是由于積云中的湍流耗散率比層積云中大。Lehmann等(2009)指出夾卷混合機制會隨著夾卷混合過程的進行發(fā)生變化，由于蒸發(fā)導(dǎo)致相對濕度增大，最終將無法區(qū)分均勻和非均勻夾卷混合過程。Small等(2013)指出由于湍流耗散率和云滴半徑的垂直分布，導(dǎo)致夾卷混合機制隨高度的增加有向均勻夾卷混合機制轉(zhuǎn)變的趨勢。Lu等(2014)發(fā)現(xiàn)隨時間尺度的增大，夾卷混合機制會呈現(xiàn)更加非均勻夾卷混合的特征，Gao等(2020)進一步研究發(fā)現(xiàn)夾卷混合機制隨采樣尺度增加既可以變得更加均勻，也可以變得更加非均勻。微物理量和夾卷空氣的相對濕度影響該尺度依賴的方向和強度，環(huán)境空氣尺度只影響尺度依賴的強度。Yum等(2015)利用不同高度的水平穿云過程發(fā)現(xiàn)在層積云中以非均勻夾卷混合機制為主導(dǎo)，由于云中的垂直環(huán)流混合(Wang et al.，2009；Yeom et al.，2017)，云中部呈現(xiàn)均勻夾卷混合機制的微物理特征，因此層積云內(nèi)的夾卷混合機制隨高度增加由均勻向非均勻轉(zhuǎn)換。Beals等(2015)利用飛機全息成像技術(shù)來探究最小湍流尺度下云的空間結(jié)構(gòu)和尺度分布，從而分析它們對夾卷混合過程的響應(yīng)情況，結(jié)果顯示湍流尺度下的云是非均勻的，云和環(huán)境空氣之間有著明顯的過渡，且一直持續(xù)到耗散尺度(小于1 cm)。

2 夾卷混合過程的重要性

不同的夾卷混合機制對云的數(shù)濃度、云滴譜等微物理性質(zhì)，降水以及云的光學特性均會產(chǎn)生影響，學者們使用觀測和模式在這些方面開展了大量的研究，揭示了夾卷混合過程的重要性。

2.1 夾卷混合過程對云滴譜和降水的影響

近年來的飛機觀測資料表明夾卷混合過程對云微物理量有重要作用，非均勻夾卷混合隨后抬升的模型理論上會形成比絕熱云更大的云滴。在一些觀測中確實發(fā)現(xiàn)了非均勻夾卷混合并隨后抬升形成的大滴(Siebert et al.，2006；Lehmann et al.，2009；Lu et al.，2011)，一些模式中也發(fā)現(xiàn)了在絕熱抬升后云塊會產(chǎn)生比絕熱云滴更大的云滴(Lasher-Trapp et al.，2005；Krueger，2008)。因此從這個角度來說，夾卷有利于降水的形成，但是夾卷混合過程對降水的影響還存在很大不確定性。Lasher-Trapp等(2005)利用耦合的大渦模擬和拉格朗日微物理模型對氣塊到達某一點的不同夾卷混合機制進行了模擬，結(jié)果顯示在假定夾卷混合過程后，模式再現(xiàn)了觀測中出現(xiàn)的云滴譜分布，譜寬比絕熱云更大，云內(nèi)較高位置依然有小滴的存在以及雙峰的結(jié)構(gòu)。文中認為不同的夾卷混合機制對云滴譜有著很重要的影響，并且可能是導(dǎo)致云滴譜加寬的主要貢獻者。T?lle和Krueger(2014)的研究結(jié)果同樣顯示在夾卷混合過程中云滴譜能夠增寬。Cooper等(2013)研究顯示夾卷混合能夠通過減小云中含水量抑制降水形成，但是也能夠在這個過程中產(chǎn)生大滴促進云滴間的碰并，有利于降水形成。Yang等(2016)探究了在夾卷混合之后云微物理量的演變，結(jié)果表明在假定卷入純凈環(huán)境空氣和均勻夾卷混合的條件下，在混合層以上存在一個臨界高度，在這個高度之上云滴能夠超絕熱增長。云滴譜的增寬以及云滴的超絕熱增長均有利于云滴間碰并的發(fā)生，增加云滴間的碰并效率(Beard and Ochs，1993；Telford，1975)，促進降水。Lu等(2013b)觀測到淺積云內(nèi)的夾卷混合機制不利于降水，但是夾卷混合也會使云滴譜增寬，而云滴譜的增寬會使得云內(nèi)不同尺度的云滴共存，這在某種程度上反而有可能會促進云內(nèi)的碰并效應(yīng)從而有利于降水，所以夾卷混合過程對云降水的影響具有兩面性。

2.2 夾卷混合過程對云的光學特性的影響

不同夾卷混合機制不止會影響云的云滴譜等微物理特性，還會對云的光學特性產(chǎn)生影響。科學家們利用數(shù)值模式進行了大量的研究，例如Chosson等(2007)利用大渦模式發(fā)現(xiàn)假定平面平行模型造成的云的反照率對夾卷混合過程十分敏感：在一個破碎稀薄的層積云中，將均勻夾卷混合機制改為極端非均勻夾卷混合機制時，云頂反照率偏差可以從-3%到-31%；Grabowski(2006)利用云分辨模式，假定輻射對流準平衡，發(fā)現(xiàn)在清潔云中假定均勻夾卷混合機制與在污染云中假定極端非均勻夾卷混合機制的云頂反照率幾乎一致，Slawinska等(2008)使用高分辨率的大渦模式結(jié)合單參微物理參數(shù)化方案證實了這個觀點。

隨著對云內(nèi)微物理過程的進一步認識和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，單參方案已不能滿足模擬的需求，于是雙參的微物理方案開始發(fā)展起來，雙參方案加入了對云滴數(shù)濃度的預(yù)報，從而能夠更好的表征云內(nèi)的實際情況。在使用雙參微物理方案(Morrison and Grabowski，2007；Morrison and Grabowski，2008)后，學者們發(fā)現(xiàn)不同夾卷混合機制對云的光學特性的影響減弱了(Grabowski and Morrison，2011；Slawinska et al.，2012；Jarecka et al.，2013)，Hill等(2009)利用分檔的大渦模式也發(fā)現(xiàn)在夜間的海洋性層積云中，假定不同夾卷混合機制對其影響不明顯(2%)。雖然這些研究均表明夾卷混合過程對于云微物理、光學特性以及降水的影響遠小于理論的計算結(jié)果，但也同時指出當前模式考量夾卷混合過程存在很多的問題。比如，雙參方案對云滴譜的表征存在不足，模式中的數(shù)值擴散問題會大大減弱云中空氣與自由大氣的梯度，且無法表征夾卷過程導(dǎo)致的小尺度動力學特征。研究還指出夾卷混合機制的影響在云的整個生命周期，尤其是夾卷混合過程占主導(dǎo)的消散階段，其作用會更加重要。

3 夾卷混合過程的定量描述及參數(shù)化

學者們對云中夾卷混合機制的討論一直存在爭議，因為實際云中的夾卷混合機制往往介于兩種極端夾卷混合機制之間，與云滴半徑、數(shù)濃度、湍流強度、環(huán)境空氣中的溫度和相對濕度有關(guān)(Lu et al.，2013a)。Lehmann等(2009)認為，對于一個夾卷混合過程，至今尚不清楚究竟它是均勻的、非均勻的，還是介于兩者之間，什么是影響夾卷混合過程的決定性因子，它們之間的相互作用又是怎樣的。因此有必要定義一個物理量定量地判斷云內(nèi)夾卷混合的程度。此外，大部分模式研究中假定的是兩種極端夾卷混合機制，這與實際不符，有必要對夾卷混合過程進行參數(shù)化，以提高模式對云及相關(guān)過程的模擬能力。

3.1 夾卷混合過程的定量描述

學者們從夾卷混合過程對云微物理量(數(shù)濃度、體積平均半徑、含水量)的影響出發(fā)，定義了衡量夾卷混合過程均勻程度的方法(Gerber et al.，2008；Morrison and Grabowski，2008)。Lu等(2013a)和Lu等(2014)在夾卷混合圖的基礎(chǔ)上提出了評估夾卷混合過程均勻性的新方法，即計算均勻混合百分比(ψ)來表征夾卷混合機制，并先后提出了四種計算ψ的方法。如圖3所示，狀態(tài)a為夾卷混合過程發(fā)生前的絕熱云，含水量為LWCa，體積平均半徑為rva。狀態(tài)b為夾卷混合過程發(fā)生后但混合蒸發(fā)發(fā)生前的狀態(tài)，含水量為LWCa×χ，其中χ為夾卷混合過程中絕熱云所占比例，體積平均半徑為rva。從狀態(tài)b到狀態(tài)c，混合蒸發(fā)作用使得含水量和體積平均半徑分別減小為LWCc和rvc。將ψ定義為l1與l2的比值

圖3 均勻混合百分比定義示意圖(水平的黑色虛線代表極端非均勻夾卷混合過程，傾斜的黑色實線代表均勻夾卷混合過程，修改自Lu等，2014)Fig.3 Diagram illustrating the definition of homogeneous mixing degree(The horizontal dash line represents extreme inhomogeneous mixing,and the solid line corresponds to homogeneous mixing,modified from Lu et al.,2014).

根據(jù)ψ的定義，ψ的值在0到1的范圍內(nèi)變化。其值越接近于0，云中夾卷混合過程越接近極端非均勻夾卷混合過程；當ψ越接近于1，云中夾卷混合過程越接近均勻夾卷混合過程。

除了從云微物理角度區(qū)分夾卷混合機制外，還可以通過動力過程對其進行判斷。Baker等(1980)、Baker和Latham(1979)提出可以用云滴的蒸發(fā)時間尺度(τe)和環(huán)境空氣與云的混合時間尺度(τm)來對均勻/非均勻夾卷混合機制進行區(qū)分

其中r是云滴半徑，A是氣壓和溫度的函數(shù)，s是過飽和度，L是氣塊的線性尺度，ε是湍流耗散率。如果蒸發(fā)時間尺度遠大于混合時間尺度，則說明先發(fā)生混合而后蒸發(fā)，均勻夾卷混合過程占主導(dǎo)；反之云滴先蒸發(fā)而后發(fā)生混合，則極端非均勻夾卷混合機制更為主要。為方便起見，這二者之間比值丹姆克爾數(shù)Da得到了廣泛的應(yīng)用

如果τe>>τm，即Da<<1，均勻夾卷混合過程占主導(dǎo)；如果τe<<τm，即Da>>1，則極端非均勻夾卷混合過程占主導(dǎo)(Burnet and Brenguier，2007)。

此外值得注意的是，在計算τm時，由于卷入空氣塊的性質(zhì)差異非常大，對L沒有一個準確的固定值。因此Lehmann等(2009)提出用過渡長度(L*)來解決這個問題，L*表示丹姆克爾數(shù)等于1時L*的值，并認為L大于L*時發(fā)生非均勻夾卷混合過程，反之，則受到均勻夾卷混合過程的影響。由于湍流慣性副區(qū)的下限是柯爾莫戈洛夫微尺度(η)，Lu等(2011)提出了新的無量綱數(shù)過渡尺度數(shù)(NL)，即L*與η之比

NL越大，云中的夾卷混合機制越趨于均勻。

3.2 夾卷混合過程的參數(shù)化

直接解析夾卷混合過程需要將格點分辨率減小到柯爾莫戈洛夫微尺度上，只有直接數(shù)值模擬可以解決這個問題(Kumar et al.，2013；Kumar et al.，2014)。但是直接數(shù)值模擬需要耗費大量計算資源，并且模擬空間太小，一般為1 m3，目前還無法被普遍推廣。Hoff?mann和Feingold(2019)、Yamaguchi等(2019)將拉格朗日云模型耦合進大渦模型中，并用線性湍渦模式表征未解析的次網(wǎng)格湍流混合過程，在一定程度上可以再現(xiàn)直接數(shù)值模擬中對小尺度混合的表征，他們先后對氣泡、積云和層云進行測試和分析，發(fā)現(xiàn)非均勻夾卷混合對云滴數(shù)濃度的減小和對云滴增長的促進遠比之前使用雙參微物理方案的影響來得大，說明了非均勻夾卷混合的重要性。

如前文所述，夾卷混合過程通常是在兩種極端夾卷混合機制之間變化，但是在現(xiàn)有的云微物理參數(shù)化方案中，通常假定次網(wǎng)格尺度的夾卷混合過程為某一種極端情況，而直接數(shù)值模擬和Hoffmann和Feingold(2019)使用的方法目前還沒有辦法在常用模式中普遍應(yīng)用，因此，除了假定不同的夾卷混合機制外，對次網(wǎng)格夾卷混合過程進行參數(shù)化至關(guān)重要。

Andrejczuk等(2009)利用直接數(shù)值模擬結(jié)果建立了混合圖解中的斜率與瞬時Da之間的關(guān)系，實現(xiàn)了夾卷混合過程的參數(shù)化。Jarecka等(2013)在Morrison和Grabowski(2008)開發(fā)的雙參微物理方案的基礎(chǔ)上，通過計算云的絲縷狀結(jié)構(gòu)和格點上的云量(Jarecka et al.，2009)對夾卷混合過程進行了參數(shù)化，并隨后應(yīng)用于大渦模式，但發(fā)現(xiàn)結(jié)果對云的微物理特性影響很小。Lu等(2013a)通過顯式混合氣泡模式和飛機觀測數(shù)據(jù)建立了均勻混合百分比和過渡尺度數(shù)之間的正相關(guān)關(guān)系，實現(xiàn)了夾卷混合過程的參數(shù)化。然而，考慮到在計算Da和NL時存在多個時間尺度，而在參數(shù)化時選擇哪個時間尺度更為合適還沒有統(tǒng)一的認識，Lu等(2018b)使用飛機觀測數(shù)據(jù)和顯式混合氣泡模式對各個時間尺度進行了檢驗，結(jié)果顯示在研究夾卷混合過程中含水量和過飽和度的變化時，云滴反應(yīng)時間尺度(環(huán)境空氣達到飽和時)和相變時間尺度更加合適，而在研究該過程中數(shù)濃度和云滴大小的變化時，更加推薦云滴完全蒸發(fā)時間尺度和反應(yīng)時間尺度(云滴完全蒸發(fā)時)，并且在一定的條件下各個時間尺度之間可以相互轉(zhuǎn)換。Gao等(2018)對直接數(shù)值模擬進行了改進，并對夾卷混合過程參數(shù)化涉及的Da、NL以及各個均勻混合百分比之間的相關(guān)關(guān)系分別進行了檢驗，結(jié)果顯示，使用均勻混合百分比和動力學特征之間的相關(guān)性可以合理地表征不同類型的夾卷混合機制。

4 總結(jié)與展望

夾卷混合過程非常復(fù)雜，受到云微物理量、環(huán)境空氣相對濕度、湍流強度等的綜合影響。本文系統(tǒng)性地回顧了夾卷混合過程的研究進展，包括夾卷混合機制的提出，夾卷混合過程的重要性，夾卷混合過程的定量描述以及參數(shù)化等方面。

夾卷混合過程研究雖然已經(jīng)取得了諸多成果，但是由于該過程自身的復(fù)雜性，學者們對夾卷混合過程的有關(guān)結(jié)論一直存在爭議。例如，一些觀測和模擬結(jié)果表明非均勻夾卷混合并隨后抬升過程對于暖云降水是十分重要的，但該結(jié)論仍然有不確定性，因為會受到垂直速度和氣溶膠水平分布起伏的干擾。由于觀測手段和計算資源的限制，采樣頻率對夾卷混合機制的影響研究還有待深入，同時基于飛機觀測資料的夾卷混合機制垂直分布的研究存在垂直分辨率不高的問題。能夠直接解析夾卷混合過程的數(shù)值模式目前還無法得到普遍應(yīng)用，夾卷混合過程的參數(shù)化還沒有得到一個公認的方案，對夾卷混合過程以及參數(shù)化的影響因子的理論認識尚不夠。氣溶膠是影響夾卷混合過程中云物理量演變的重要因素，氣溶膠活化過程和非均勻夾卷混合對云滴數(shù)濃度的影響存在相互作用，近幾年，利用云室展開各種條件下氣溶膠、云與環(huán)境空氣之間相互作用的研究也開始引起學者關(guān)注(Chandrakar et al.，2016；Chandrakar et al.，2017；Chan?drakar et al.，2018)，為研究夾卷混合過程提供了新思路，但目前對卷入氣溶膠的二次活化過程以及云滴完全蒸發(fā)形成的氣溶膠再次活化對云滴譜和微物理量的影響尚不清楚。